螺旋星系

螺旋星系

螺旋星系(Spiral Galaxy)是由大量氣體、塵埃和又熱又亮的恆星所形成,有旋臂結構的扁平狀星系。螺旋星系是具有漩渦結構的河外星系,在哈勃的星系分類中用S代表。螺旋星系的螺旋形狀,最早是在1845年觀測獵犬座星系M51時發現的。

  • 中文名稱
    螺旋星系 
  • 外文名稱
    Spiral Galaxy
  • 赤緯
    +47°12′
  • 距地距離
    2100萬光年
  • 分類
    河外星系
  • 視星等
    8.8等
  • 發現時間
    1845年
  • 赤經
    13h29.9m
  • 視直徑
    11′X8′

基本信息

這個扭曲的螺旋星系(ESO 510-G13)是與另一個星系碰撞的結果,而另一個星系完全被吸收掉了,這種過程通常需要耗費數百萬年的時間。

在我們的銀河系形成的現代理論中,最早期(據知是天文學家Els,之後提出論文的有Olin Eggen,Donald Lynden-Bell,和Allan Sandage[1])描述在一次單獨(相對性的)的快速碰撞事件之後,銀暈伴隨著星系盤面誕生了。在1978年,出現另一種版本,(據知是SZ,作者有Leonard Searle and Robert Zinn[2])敘述的是一種漸進的過程,首先是較小的單位崩潰瓦解掉,然後才合並成為大的部份。

螺旋星系螺旋星系

更為現代的想法是銀暈可能是曾經環繞銀河系旋轉的矮星系和球狀星團被毀滅之後的碎片,那麽銀暈將是老的部分被回收更新成新天體的場所。

在最近幾年,主要的想法被集中關註在星系演化上的合並事件,在電腦技術上的快速進展允許對星系演化做更好的模擬,並且觀測技術的改進也提供了許多遙遠星系經歷合並事件的資料與資料。在1994年發現我們的衛星星系,人馬座矮橢球星系(SagDEG),正在被銀河系逐漸的撕裂和吞噬之後,這種事件被認為在大星系的演化中是十分普遍的。麥哲倫雲是我們的衛星星系,無疑的將來也會遭受和人馬座矮橢球星系相同的命運。合並掉大的衛星星系的事件或許可以解釋M31(仙女座大星系)看起來有雙重核心的問題。

人馬座矮橢球星系環繞我們我們銀河系的軌道幾乎是垂直銀河盤面的,他正在穿越盤面,每次穿越時恆星都會被剝離並進入我們銀河系的銀暈內,最後,人馬座矮橢球星系將隻會剩下核心。盡管如此,他剩餘得質量仍然與巨大的球狀星團,像半人馬座ω星團和G1一樣,但看起來則相當不同,因為有大量神秘的暗物質出現,使它的表面密度較低,而一但成為球狀星團,神秘的暗物質含量可能就很少了。

更多的矮星系與銀河系正在進行合並的例子是大犬座矮星系,被認為和2003年發現的麒麟座環和2005年發現的室女座星流有關。

名稱由來

螺旋星系的名稱來自由核球向外成對數螺旋在星系盤內延展,並有恆星形成的明亮螺旋臂。雖然有時很難辨明,例如螺旋臂有叢生的絮結時,但螺旋臂相對的可以區分出有星系盤結構卻沒有螺旋臂的透鏡星系

螺旋星系的星系盤外通常會有龐大的球形星系暈包圍著,其中主要的成員是年老的第二星族恆星,也有許多被聚集在環繞著星系核的球狀星團內。

起源演化

起源

林達博是研究螺旋臂形成的先驅,他意識到恆星要恆久保持螺旋臂的形狀會遭遇到"纏繞困境"而難以維持住,因為星系盤中天體的環繞速度會隨著至中心的距離而變化,一條向外輻射出的臂(像車輪的輻條)很快就會因為星系的自轉彎成弧線。星系隻要自轉幾周之後,螺旋臂的曲率就會增加至緊緊纏繞著星系的核球。但觀測到的卻不是如此。

旋渦星系的螺旋臂解釋圖旋渦星系的螺旋臂解釋圖

第一個令人可以接受的理論是林家翹徐遐生兩人在1964年發明的,他們建議螺旋臂隻是螺旋密度波的顯示。他們假設恆星在細長的橢圓軌道上並且原來的軌道方向是互有關聯的,也就是說,橢圓以很平順的方式隨著與核心距離的增加逐漸改變了他們的方向。這就是圖中所說明的,很清楚的觀察到橢圓軌道在某些區域緊密結合在一起的"現象"就是螺旋臂。

二擇一的另一個被推薦的假說是星系的運動造成恆星陷入波浪中,因為形成時最亮的恆星也會最快死亡,便會在波的後方形成黑暗的區域,因而使得波被看見。

演進

天文學家根據美國宇航局"哈勃"太空望遠鏡的觀測資料研究發現,太空中美麗的螺旋星系曾經都是"醜小鴨"。天文學家認為,在宇宙的早期,螺旋星系並不是如今的模樣,而是呈現一些奇怪的、畸形的面板,後來才慢慢演化成螺旋形狀。

螺旋星系螺旋星系

近一半的螺旋星系,包括銀河系,它們在60億年前呈現出一些非常奇怪的形狀。天文學家認為,這些奇怪的星系應該是通過碰撞和合並等過程形成螺旋星系的。盡管通常認為星系合並事件在80億年前就已經開始大幅減少,但是研究表明,在那之後星系合並事件發生頻率仍然很高,並一直持續到40億年前。

此外,還有一種被廣泛認同的觀點就是,星系合並會形成橢圓星系。但是,恰恰與這種觀點相反,有科學研究團隊支持另一種想定,那就是宇宙碰撞會形成螺旋星系。在研究團隊于《天文學和天體物理學》雜志上發表的另一篇研究論文中,天文學家提出了"螺旋再造"的假設。這種假設認為,那些受到富含氣體的合並者影響的奇怪星系會慢慢再生為一種巨型螺旋。

盡管銀河系也是一個螺旋星系,但是它似乎少了些戲劇性變化過程。它的形成歷史相對平靜,而且在一段天文時期內避開了許多劇烈的碰撞。然而,巨大的仙女座星系則沒有這麽幸運,它非常符合這種"螺旋再造"的假設。

星系形成

星系是如何形成的,依然是天文物理學中最活躍的一個研究領域,並且繼續延伸至星系演化的領域,而有些觀念與看法已經被廣泛的接受。

從宇宙微波背景輻射的觀測已經證實,在大霹靂之後,宇宙有一段時間是非常同質性的,其間的起伏低于十萬分之一。

今天最能被接受的觀點是原始擾動的成長形成今天我們所觀察到的所有結構,原始擾動誘發局部地區氣體的物質密度增加,形成星團和恆星。這種模型的一種結果是在早期宇宙的一些地區因為有較高一點的密度而形形成了星系, 因此星系的誕生與早期宇宙的物理息息相關。

在這個領域的研究有許多都聚焦在我們自己的銀河系,因為它是最容易觀察的星系。這些觀察必須能解釋,或至少不再增加分歧的意見,星系演化的理論,包括:

星系盤十分的薄、密度和自轉。

星系暈非常巨大、稀薄、沒有自轉(或是隻有微量的順向或逆向的轉動),也沒有可觀察出的結構。

存在于星系暈中的恆星和星系盤中的比較,通常都非常老和金屬量非常少(此處是一個對比,但是這些資料之間沒有絕對的關聯性)。

一些天文學家曾經鑒定出一些介于兩者之間的恆星,有人稱之為"低金屬密實盤"(metal weak thick disk),也有人稱為"特殊第二族星",不一而足。如果確實有明顯的區分,她們的描述將如同貧金屬星(但暈星並不那麽缺乏金屬,也沒有那麽老),並且軌道非常靠近星盤,有點兒"虛胖"的,較厚的星盤形狀。

球狀星團是典型的老與貧金屬,不是所有的都像大多數的一樣是貧金屬,而且/或許有些是比較年輕的恆星。在球狀星團中有些恆星的年齡看起來好像和宇宙一樣老!(使用完全不同的測量和分析方法)

在每個球狀星團之中,實際上都是在同一個時間誕生的。(隻有少數幾個顯示有不同世代的恆星分別誕生)

軌道細小(接近星系中心)的球狀星團,軌道接近星盤(對星盤是低傾斜的)和低離心率(比較圓些),而距離較遠的球狀星團軌道來自所有的方向,也有較高的離心率。

高速雲,中性氫的雲氣,如雨般的向星系墜入,並且推測從一開始就是如此。(這是形成星盤中的雲氣與恆星誕生所必須的來源)

主要特征

有相當大的總角動量 中心有核球的結構,被周圍的星系盤環繞著。核球類似橢圓星系,有許多老年屬于第二星族的恆星,並且通常會有超重黑洞隱藏在中心。 星系盤是扁平的,伴隨著星際物質、年輕的第一星族恆星、和疏散星團,共同繞著核球旋轉。

螺旋星系螺旋星系

具有漩渦結構的河外星系,在哈勃的星系分類中用S代表。螺旋星系的螺旋形狀,最早是在1845年觀測獵犬座星系M51時發現的.螺旋星系的中心區域為透鏡狀,周圍圍繞著扁平的圓盤.從隆起的核球兩端延伸出若幹條螺線狀旋臂,疊加在星系盤上。除了旋臂上集聚高光度O、B型星、超巨星、電離氫區外,同時還有大量的塵埃和氣體分布在星系盤上。從側面看在主平面上呈現為一條窄的塵埃帶,有明顯的消光現象。漩渦星系通常有一個籠罩整體的、結構稀疏的暈,叫做星系暈。其中主要是星族Ⅱ天體,其典型代表是球狀星團。一個中等質量的漩渦星系往往有100-300個球狀星團。隨機地散布在星系盤周圍空間。在往外,可能還有更稀疏的氣體球,稱為星系暈。漩渦星系的質量為十億到一萬億個太陽質量,對應的光度是絕對星等-15~-21等。直徑範圍是5~50千秒差距。Sa型星系的總光譜型為K,Sb型為F~K,Sc型為A~F。產生總光譜的主要天體既有高光度早型星,又有高光度晚型星星族Ⅰ天體組成星系盤和旋臂星族Ⅱ天體主要構成星系核、星系暈和星系冕。

我們的星系銀河系,長久以來都被認為是旋渦星系,以哈柏分類法歸類為Sbc,但來自史匹哲太空望遠鏡的觀測卻顯示應該是棒旋星系,分類為SBb。

基本分類

螺旋星系可分為正常漩渦星系和棒旋星系兩種.按哈勃分類,正常漩渦星系又分為a、b、c三種次型:Sa型中心區大,稀疏地分布著緊卷旋臂;Sb型中心區較小,旋臂較大並較開展;Sc型中心區為小亮核,旋臂大而松弛。

星系結構

螺旋臂

螺旋臂是由星系的核心延伸出來的漩渦和短棒組成的區域。這些長且薄的區域類似漩渦,此種星系也因此而得名。

星系碰撞結果星系碰撞結果

螺旋臂的存在曾經令科學家大惑不解,因為在星系旋轉時,星系最外圍(邊緣)的恆星運動得比接近中心的恆星更快。事實上,螺旋臂並不是恆星運動造成的結果,但是密度波會導致恆星形成。因此,螺旋臂因為有年輕的恆星而顯得明亮,不是因為恆星的運動造成螺旋臂。

核球

核球是巨大的,由恆星緊緊的包裹而成的集團,普遍的存在于絕大多數螺旋星系的中心。

螺旋星系的核球通常由第二星族的恆星組成,又小、又紅也較老。這是因為這些恆星全都是與星系同時誕生的,都已經有數十億的年齡,隻有小的紅色星能活的如此久。

一些核球有第一星族的恆星,藍色、年輕的恆星,或是兩者混合在一起,雖然離完全了解還有很長的距離,通常都認為這是與其他星系產生互動作用的證明,例如星系吞噬,將新的氣體送到中心並且造成恆星的形成。

核球有些特徵與橢圓星系相似(縮減至較低的質量和光度)。

扁球體

螺旋星系中大多數的恆星,不是緊挨著星系盤唯一的平面,就是圍繞著星系的核心(核球)在常規的軌道上運行,再不就是聚在扁球體的星系扁球體繞著星系核心轉。

然而,這些形成的扁球暈或星系扁球體,都朝向星系的中心集中。對這些星群的軌道仍有爭議,他們的方向有順行也有逆行,或許並合著高傾斜角的軌道,或再不規則的軌道上運行,不一而足。暈中的恆星或許是來自外面的,或是因為星系吞噬而來自其他的星系。例如,人馬座矮橢球星系是銀河系正在進行星系吞噬的對象,觀測顯示銀暈中的一些恆星就來自這個星系的扁球體。

不同于星系盤,星系暈中的星際塵埃似乎是自由的,進一步的比對,暈中的恆星都是第二星族的,金屬含量也遠比在星系盤中的第一星族的低(比較像核球的)。星系暈中也有許多的球狀星團。

暈中的星在運行中偶爾也會穿越過星系盤,一些在太陽附近的紅矮星就被認為是屬于星系暈的成員,例如卡普坦星和Groombridge 1830。由于他們環繞星系中心的運動是不規則的,這些恆星經常會呈現出異常的自行現象。

代表星系

渦狀星系

渦狀星系(Whirlpool Galaxy),又叫做M51或是NGC5194,位在天空北方的獵犬座(Canes Venaciti),長度約有六萬五千光年,距離地球二千三百萬光年。

渦狀星系

渦狀星系是由查爾斯·梅西耶于1773年10月13日發現的。其伴星系NGC 5159則由皮埃爾·梅香于1781年發現。直至1845年之前,它是第一個被發現的旋渦星系,而發現它是漩渦狀的是威廉·帕森思,他透過一座建于愛爾蘭比爾城堡的72吋反射望遠鏡而得出此觀察結果。在2005年,人們觀察到渦狀星系內的一顆超新星SN 2005cs,其最高亮度達14等。有時候,M51是指渦狀星系及其伴星系,如果要作出區分的話,則會將渦M51分為M51A(NGC 5194)及M51B(NGC 5195)。

向日葵星系

向日葵星系(也稱為M63、NGC 5055)是位于獵犬座,屬于M51星系群的一個螺旋星系。這個星系群還有M51。

向日葵星系是在1779年6月14日被梅香發現的,並被梅西爾收錄為梅西爾天體,編號是M63。在19世紀中葉,羅素爵士確認這是一個有螺旋構造的星系,使它成為第一個結構被確認的星系。

三角座星系

三角座星系(也稱為M 33或NGC 598)是位于三角座的一個螺旋星系,距離大約314萬光年。三角座星系在本星系群中是第三大的星系,比鄰近的仙女座星系和我們的銀河系略小一些,並可能受到仙女座星系的重力約束,但在宇宙中仍可算是一個大的螺旋星系。雙魚座矮星系(LGS 3),是在地群中的成員之一,可能是三角座星系的衛星星系。

三角座星系三角座星系

在良好的觀測環境下,三角座星系能以肉眼直接看見,這使它成為無需裝備協助或支援就能看見的星系,但是很容易與鄰近的NGC752混淆。

在2005年,使用VLBA(超長基線陣列)的觀測發現在三角座星系相對的兩處各有一個水微波激射,這是第一次能對三角座星系進行角自轉和自行的估計。測得的資料為相對于銀河系以190 ± 60 公裏/秒向仙女座星系接近。

仙女座星系

仙女座星系(Andromeda Galaxy,國際音標為:/ˌanˈdrɒmədə/,也稱為梅西爾31、M31或NGC 224,早期的檔案中曾經稱為仙女座星雲)是一個螺旋星系,距離大約250萬光年,位于仙女座的方向上,是人類肉眼可見(3.5等星)最遠的深空天體。 仙女座星系被相信是本星系群中最大的星系,本星系群的成員有仙女星系、銀河系、三角座星系,還有大約50個小星系。但根據改進的測量技術和最研究的資料結果,科學家現相信銀河系有許多的暗物質,並且可能是在這個集團中質量最大的。然而,史匹哲太空望遠鏡最近的觀測顯示仙女座星系有將近一兆(1012)顆恆星,數量遠比我們的銀河系為多。在2006年重新估計銀河系的質量大約是仙女座星系的50%,大約是7.1×1011M☉。

仙女座星系

仙女座星系在適度黑暗的天空環境下很容易用肉眼看見,但是如此的天空僅存在于小鎮、被隔絕的區域、和離人口集中區域很遠的地方,隻受到輕度光污染的環境下。肉眼看見的仙女座星系非常小,因為它隻有中心一小塊的區域有足夠的亮度,但是這個星系完整的角直徑有滿月的七倍大。

大螺旋星系

起源及演化大螺旋星系(NGC 123)最迷人的地方在于其擁有數以萬計的藍色的恆星,散布其間。大片星際氣體好似將這片藍色舞動成漩渦狀。而那些不被我們所了解的暗物質,在這種漩渦的外延逃逸。

在宇宙中高速運行具有星系核的星系,當它追及到另一個具有星系核的星系時,如果兩者的運行速度相近,就會相互吞噬,形成了一個更大的星系。倘若這兩個星系的星系核相遇,就會相互繞轉而形成一個質量更大的高速旋轉的星系核。這個高速旋轉的星系核就像一個巨大的發電機,從它的兩極爆發出能量強大的粒子流向遠方噴射。星系核的能量越大,噴射粒子流的流量也就越大,噴射得也就越遙遠。我們把這樣的星系核稱作兩極噴流星系核。星系核在噴射高能粒子流的時候,會消耗其自身的能量,然而,當它俘獲了其它星團或者星系以後,就會增添能量。當星系核的能量發生由大到小的變化時,就會建造出兩條由遠及近粗大的噴流帶。如果星系核的磁軸繞著另一條軸(這條軸稱作星系核的自轉軸)旋轉,那麽,噴流帶的軌跡就會彎曲,而演變成螺旋星系的兩條旋臂。 一般的,星系核的磁軸與自轉軸之間的夾角(0~π/2)越大,所建造的星系盤面就會越扁;否則就會越厚。星系核的磁軸繞著自轉軸的旋轉速度越快,旋臂纏卷得就會越緊;否則,就會越松。螺旋星系的兩條旋臂是恆星誕生的活躍區域。

NASA發現

對于宇宙的探索人類從未停下腳步,找到另外一個適合人類居住的星球一直是人類近幾十年來一直在追尋的目標,其中美國NASA航天局和歐航空局作為主要的中堅力量。NASA航天局和歐航空局的主要儀器設備就是哈勃太空望遠鏡,而這種望遠鏡不僅僅是專業的探尋宇宙的天文望遠鏡,還能夠捕獲宇宙之間的射線,例如X射線,伽馬射線等等。

先進的巡天相機拍攝的寬視角通道拍攝先進的巡天相機拍攝的寬視角通道拍攝

美國NASA航空航天局和歐空局的哈勃太空望遠鏡,在宇宙的深處發現而來一個色彩非常分明的星系,呈現螺旋狀。而航天局將這個遙遠的星系和附近的恆星的星系命名為NGC4183。NGC4183是位于地球約55萬光年的位置,這個星系比銀河系要略小一點。這個星系,它屬于到大熊集團,位于獵犬座的北邊。

NGC4183是一個螺旋星系,其核心看上去不是特別明顯,並且其形態是一個開放式的螺旋結構。但是不湊巧的是,從地球上觀看這個星系的邊緣,不能夠非常清晰的看清楚其旋臂。不過NGC4183星系的銀盤還是能夠很好的觀測到的。

NGC4183的磁碟組成建構主要是由氣體,塵埃和恆星的星系。觀測的結果表明NGC4183的銀道面存在灰塵,還能看見一些結構非常復雜顏色是黑色的細絲,這些細絲阻擋了星系核心的可見度。對于這個星系的觀測發現,這個星系應該存在桿系結構。人類所認知的星系一般結構都是以氣體的螺旋臂作為中心軸,這樣可以加強恆星的形成,但是NGC4183有些特殊,其隆起的星系的螺旋臂比一般的星系看上去更加明顯。

最大的星系

天文學家在遙遠的太空又有巨大收獲,目前為止(2013年01月)最大的螺旋星系被發現,令人震驚的是它僅是剛剛形成,未來或許會變得更大。

根據外國媒體報道,天文學家把此星系命名為NGC6872,已經可確定為已知的最大螺旋星系,據測算它的橫跨度超過了522,000光年,比銀河系大5倍以上。

一組來自巴西、智利及美國的研究團隊發現了它,經過分析他們認為NGC6872僅是剛剛形成的星系,它還將繼續生長。本次研究負責人拉斐爾表示:"這是我們目前發現的最大星系,它的橫跨度甚至超過了50萬光年,而它也是很年輕的星系,未來它將成為宇宙中炙手可熱的明星。"

早在2012年10月份,科學家就發現了一個巨大星系,研究人員將其編號為A2261-BCG嗎,而它的跨度達到了1萬光年,當時被認定為最大星系,但僅僅半年之後這個紀錄就被打破。

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